CN115016443A - 一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置及方法，包括：污染电环境模拟试验模块、被测机载控制系统模块、环境综合试验箱、环境模拟实验控制装置、采煤机半物理模型仿真装置与高精度测试平台：所述污染电环境模拟试验模块用于进行极端供电环境的在线模拟，所述极端环境包括快速瞬变脉冲、浪涌、电压跌落；所述被测机载控制系统模块用于进行被测机载控制；所述环境综合试验箱与污染电环境模拟试验模块同时用于进行向被测机载控制系统模块进行综合环境应力施加；所述环境模拟实验控制装置用于进行信号交互控制。本发明能够测试结果可靠，更好的保证了采煤机的测试结果准确，减少了测试结果偏差大导致的意外。

Description

一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置及方法

技术领域

本发明涉及采煤机测试领域，具体涉及一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置及实施方法。

背景技术

目前煤矿安全生产形势依然严峻和复杂，必须加强煤矿自动化、数字化、智能化技术装备研发，提高煤矿安全保障能力。采煤机自动化水平的高低是影响综采工作面自动化水平的关键因素，采煤机自动化控制的基础在于采煤机机载控制系统的可靠安全工作。但由于缺少对针对采煤机控制系统的验证准入机制，采煤机控制系统安全性能定义不清晰，迫切需要规范自动化采煤机功能安全测试技术及试验方法，完善采煤机功能安全检验手段及流程，从而为煤矿的安全、高效生产提供技术保障。

汽车及机器人行业中，针对设备功能安全已有较为完善的功能安全测试手段及认证方法，但针对采煤机这种特殊工况条件下的行走机械，尚未有可供直接使用的试验装置，测试手段及认证方法，因此，提出一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置及实施方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中针对采煤机这种特殊工况条件下的行走机械，尚未有可供直接使用的试验装置，测试手段及认证方法的问题，提供了一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置及方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括：污染电环境模拟试验模块、被测机载控制系统模块、环境综合试验箱、环境模拟实验控制装置、采煤机半物理模型仿真装置与高精度测试平台：

所述污染电环境模拟试验模块用于进行极端供电环境的在线模拟，所述极端环境包括快速瞬变脉冲、浪涌、电压跌落；

所述被测机载控制系统模块用于进行被测机载控制；

所述环境综合试验箱与污染电环境模拟试验模块同时用于进行向被测机载控制系统模块进行综合环境应力施加；

所述环境模拟实验控制装置用于进行信号交互控制；

所述高精度测试平台用于进行试验有效性及功能安全评审软件进行功能安全评审，最终输出被测机载控制系统模块的功能安全指标。

进一步在于，所述综合环境应力可同步施加，所述综合环境应力包括，振动、温湿度、粉尘、酸碱度腐蚀、电压跌落、浪涌电压及电快速瞬变等多环境变量。

进一步在于，所述采煤机半物理模型仿真装置为半实物模型，所述采煤机半物理模型仿真装置包括数学模型与实物模型。

进一步在于，所述数学模型为，采煤机截割部受力与温度场耦合模型、截割部机构动作模型、截割部液压系统响应模型、主供电回路电信号响应模型、及截割电机的受力与电流耦合模型；

进一步在于，所述实物模型为，牵引变频器模拟样机、牵引电机模拟样机、控制系统供电回路、及牵引部负载受力模拟试验台。

进一步在于，所述高精度测试平台还用于测试环境变量及被测机载控制系统模块的信号流的全过程同步采样，同时具有风险分析及功能安全评审功能。

进一步在于，所述功能安全评审功能将失效事件分为四种：本质安全A、可控风险B、极端环境下的暴露的致命风险C、日常环境下暴露的致命风险D；所述功能安全评审功能通过对不同风险事件的加权打分，对采煤机功能安全等级的量化评审。

一种采煤机机载控制系统功能安全测试方法，所述测试方法包括以下步骤：

步骤一：通过污染电环境模拟试验模块进行电快速瞬变脉冲、浪涌、电压跌落等极端供电环境的在线模拟；

步骤二；将被测机载控制系统模块置于环境综合试验箱中，由污染电环境模拟试验模块施加极端供电环境，并由环境综合试验箱施加物理环境应力，通过污染电环境模拟试验模块及环境综合试验箱完成对所述被测机载控制系统模块的综合环境应力施加；

步骤三：被测机载控制系统模块同步接收电环境及物理环境应力，被测机载控制系统模块产生的对应的响应状态通过被测机载控制系统模块的接口模块传递至采煤机半物理模型仿真装置的板块I/O，经由半物理模型仿真装置内的各类实物及数学模型输出响应信号，通过硬件板卡I/O将模拟的采煤机实际执行动作状态反馈到被测机载控制系统模块的接口I/O模块中，进而完成一次测试过程；

步骤四：测试过程中环境参数相关的状态数据经过接口设备与环境模拟实验控制装置进行信号交互控制，测试过程的状态监测、实时控制、人机交互及安全保护等功能由高精度测试平台负责呈现；

步骤五：测试过程中被测机载控制系统模块在极端工况下，相关状态信息及部分功能失效时的响应逻辑实时传递至高精度测试平台中，经由高精度测试平台中的试验有效性及功能安全评审软件进行功能安全评审，最终输出被测机载控制系统模块的功能安全指标。

本发明相比现有技术具有以下优点：该一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置及实施方法，通过综合环境应力施加，同步采集采煤机机载控制系统对响应状态及逻辑，分析采煤机电控系统失效事件严重性，最终完成对采煤机机载电控系统的功能安全等级量化评审，实现了效果更好的安全测试，让得出的安全测试结果可靠性更高，大大降低了采煤机机载控制系统功能出现故障导致的意外发生几率，更好保证了采煤机运行的安全。

附图说明

图1是本发明提供的采煤机机载控制系统功能安全测试装置的结构框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供的采煤机机载控制系统功能安全测试装置的一种构成示例。

本采煤机机载控制系统功能安全测试装置，主要包括：污染电环境模拟试验模块1、被测机载控制系统模块2、环境综合试验箱3、环境模拟实验控制装置4、采煤机半物理模型仿真装置5与高精度测试平台6。

污染电环境模拟试验模块1用于进行极端供电环境的在线模拟，极端环境包括快速瞬变脉冲、浪涌、电压跌落。

被测机载控制系统模块2与污染电环境模拟试验模块1连接配合，用于进行被测机载控制。

环境综合试验箱3与污染电环境模拟试验模块1同时用于进行向被测机载控制系统模块2进行综合环境应力施加。

环境模拟实验控制装置4用于进行信号交互控制。

高精度测试平台6用于进行试验有效性及功能安全评审软件进行功能安全评审，最终输出被测机载控制系统模块2的功能安全指标。

本安全测试装置在运行时，通过污染电环境模拟试验模块1进行电快速瞬变脉冲、浪涌、电压跌落等极端供电环境的在线模拟；同时将被测机载控制系统模块2置于环境综合试验箱3中，并由电环境模拟试验模块1施加极端供电环境，并由环境综合试验箱3施加物理环境应力，通过所述电环境模拟试验模块1及环境综合试验箱3完成对被测机载控制系统模块2的综合环境应力施加。

这里的综合环境应力可同步施加，综合环境应力包括，振动、温湿度、粉尘、酸碱度腐蚀、电压跌落、浪涌电压及电快速瞬变等多环境变量。

进一步的，本安全测试装置中的电环境模拟试验模块1包含电压跌落、浪涌电压及电快速瞬变三个测试装置，其中电压跌落测试装置直接与被测ECU模块通过电源接口相连接，浪涌电压及电快速瞬变测试装置通过耦合/去耦网络实现对电源端口及信号端口的电环境应力施加。

本安全测试装置中的环境综合试验箱3包括温度、湿度、振动、粉尘及酸碱环境这5个工况模拟模块。其中温度工况模拟模块、湿度工况模拟模块及振动工况模拟模块在综合实验箱内实现温度、湿度、振动三种工况模拟，在此基础上，通过粉尘及酸碱环境工况模拟模块在被测ECU模块上施加粉尘及酸碱工况环境，由此来实现5种环境的模拟工况施加。

本安全测试装置中的综合环境模拟实验控制装置4通过工业以太网对电环境模拟试验模块1及环境综合试验箱3施加控制指令，实现同步控制；同时电环境模拟试验模块1及环境综合试验箱3测试数据帧中具有实时时钟，与之配合的，环境模拟实验控制装置4通过时钟同步实现对试验数据的同步采集。

本安全测试装置中的采煤机半物理模型仿真装置5为半实物模型，该采煤机半物理模型仿真装置5具体包括数学模型与实物模型。

采煤机半物理模型仿真装置5的数学模型为，采煤机截割部受力与温度场耦合模型、截割部机构动作模型、截割部液压系统响应模型、主供电回路电信号响应模型、及截割电机的受力与电流耦合模型。

这里对于相应的数学模型构成就不加以限定，可根据实际需求而定。

采煤机半物理模型仿真装置5的实物模型为牵引变频器模拟样机、牵引电机模拟样机、控制系统供电回路、及牵引部负载受力模拟试验台。

本安全测试装置中的采煤机半物理模型仿真装置5在配合被测机载控制系统模块2运行时，被测机载控制系统ECU模块2在试验过程中的实时响应状态通过其内部”接口I/O模块”以总线的方式传输至所述采煤机半物理模型仿真装置5的“板块I/O”，经由采煤机半物理模型仿真装置5内的各类实物及数学模型输出响应信号。

具体的，采煤机半物理模型仿真装置5中，数学模型的采煤机截割部受力与温度场耦合模型通过建立截割部传动系统负载传递函数及各机构载荷-温度函数等，实现输入采煤机截割部负载状态输出负载扭矩及温度状态数据的实时模拟；

截割部机构动作模型，根据所述ECU模块2输出的摇臂升降控制指令，实时输出采煤机摇臂高度及摇臂误差范围；

截割部液压系统响应模型，根据所述ECU模块2输出的摇臂升降控制指令，以及采煤机截割部受力与温度场耦合模型的载荷数据，输出液压系统压力、油温等状态参数；

主供电回路电信号响应模型，通过建立控制电源、泵电机、变压器等主回路用电设备模型，模拟典型载荷谱下的供电信号响应；

截割电机的受力与电流耦合模型，通过建立截割部载荷谱与异步电机电流响应函数，模拟典型载荷下的截割电机电流响应。

与之配合的，采煤机半物理模型仿真装置5中，实物模型中的牵引变频器模拟样机用于模拟采煤机运行时牵引速度、牵引部变频状态及变频器启动、运行、报警、故障等各类典型状态下的状态机特征等；

牵引电机模拟样机用于模拟采煤机运行牵引负载状态，包括速度响应、负载状态、报警、故障等各类典型状态下电气响应特性等；

牵引部负载受力模拟试验台通过将一台电机与所述牵引电机模拟样机同轴安装，实现对采煤机牵引部加载、过载及冲击负载等典型负载工况的模拟；

控制系统供电回路用于模拟采煤机整机电气系统主回路的顺启、顺停、截割电机启停、泵电机启停、牵引部启停、漏电、缺相等典型状态、报警、故障状态。

进一步的，牵引电机模拟样机由牵引变频器模拟样机进行实时控制；所述实物模型的控制指令来自所述被测机载控制系统ECU模块2。

如此，通过采煤机半物理模型仿真装置5的硬件板卡I/O将模拟的采煤机反馈状态传输到被测机载控制系统模块2的接口I/O模块中，进而完成一次测试过程。

本测试装置中的高精度测试平台6还用于测试环境变量及被测机载控制系统模块2的信号流的全过程同步采样，同时具有风险分析及功能安全评审功能。

进一步的，本高精度测试平台6具体包括边缘端处理模块、核心算力模块、试验有效性及功能安全评审模块以及人机交互模块。

进一步的，作为举例，本高精度测试平台6中功能安全评审功能将失效事件分为四种：本质安全A、可控风险B、极端环境下的暴露的致命风险C、日常环境下暴露的致命风险D；功能安全评审功能通过对不同风险事件的加权打分，对采煤机功能安全等级的量化评审。

作为进一步的优选方案，本安全测试装置还包括采煤机运行状态评估系统，采煤机运行状态评估信息包括采煤机运行时长采集模块与行走状态采集模块；

采煤机运行时长采集模块用于采集采煤机的运行时长信息，行走状态采集模块用于采集采煤机预设功率下的行走效率信息；

采集采煤机的运行时长信息采集过程如下；记录下采煤机开机时间点，将其标记为T1，再提取出测试的时间点或采煤机关机时间点，将其标记为T2，计算出T2与T1的差值即得到采煤机的运行时长信息；

对采煤机的运行时长信息进行处理得到采煤机运行评估信息，采煤机运行评估信息包括采煤机运行正常与采集机运行异常，采煤机运行评估信息的具体处理过程如下：提取出采煤机的运行时长信息，当采煤机的运行时长信息小于预设值时，即生成采煤机运行正常，当采煤机的运行时长信息小于预设值时，即生成采煤机运行异常；

通过上述设置，能够在采煤机运行时间过长时，及时的发出警示信息进行提醒，避免运行时长过长导致的意外；

采煤机预设功率下的行走效率信息的获取过程如下：将采煤机调整预设功率运行后，采集其预设时长内的行走距离信息，再计算出行走距离信息与预设时长的比值，即得到行走效率信息；

对行走效率信息进行处理得到行走评估信息，行走评估信息包括行走正常与行走异常，当行走效率信息大于预设效率时，即生成行走正常，反之即行走异常；

通过设置的行走效率信息能够了解到采煤机的具体状态，从而能够了解到采煤机是否处于安全运行的状态。

以下结合本实例给出的采煤机机载控制系统功能安全测试装置，具体说明一下本实例方案进行采煤机机载控制系统功能安全测试的实施过程。

结合图1所示，基于本采煤机机载控制系统功能安全测试装置对采煤机机载控制系统功能进行安全测试时，主要包括以下步骤：

步骤一：通过污染电环境模拟试验模块1，可进行电快速瞬变脉冲、浪涌、电压跌落等极端供电环境的在线模拟；

步骤二；将被测机载控制系统模块2，置于环境综合试验箱3中，由污染电环境模拟试验模块1施加极端供电环境，并由环境综合试验箱3施加物理环境应力，通过污染电环境模拟试验模块1及环境综合试验箱3完成对被测机载控制系统模块2的综合环境应力施加；

步骤三：被测机载控制系统模块2同步接收电环境及物理环境应力，被测机载控制系统模块2产生的对应的响应状态通过其内部的接口模块传递至采煤机半物理模型仿真装置5的板块I/O，经由采煤机半物理模型仿真装置5内的各类实物及数学模型输出响应信号，通过采煤机半物理模型仿真装置5的硬件板卡I/O将模拟的采煤机反馈状态传输到被测机载控制系统模块2的接口I/O模块中，进而完成一次测试过程；

步骤四：测试过程中环境参数相关的状态数据都直接与环境模拟实验控制装置4进行信号实时交互控制，高精度测试平台6负责整个实验过程的状态监测、实时控制、人机交互及安全保护等功能的实现；

步骤五：测试过程中被测机载控制系统模块2在极端工况下，相关状态信息及部分功能失效时的响应逻辑实时传递至高精度测试平台6中，经由高精度测试平台6中的试验有效性及功能安全评审软件进行功能安全评审，最终输出被测机载控制系统模块2的功能安全指标。

综上，本发明通过综合环境应力施加，同步采集采煤机机载控制系统对响应状态及逻辑，分析采煤机电控系统失效事件严重性，最终完成对采煤机机载电控系统的功能安全等级量化评审，实现了效果更好的安全测试，让得出的安全测试结果可靠性更高，大大降低了采煤机机载控制系统功能出现故障导致的意外发生几率，更好保证了采煤机运行的安全。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置，其特征在于，包括：污染电环境模拟试验模块、被测机载控制系统模块、环境综合试验箱、环境模拟实验控制装置、采煤机半物理模型仿真装置与高精度测试平台：

所述污染电环境模拟试验模块用于进行极端供电环境的在线模拟，所述极端环境包括快速瞬变脉冲、浪涌、电压跌落；

所述被测机载控制系统模块用于进行被测机载控制；

所述环境综合试验箱与污染电环境模拟试验模块同时用于进行向被测机载控制系统模块进行综合环境应力施加；

所述环境模拟实验控制装置用于进行信号交互控制；

所述高精度测试平台用于进行试验有效性及功能安全评审软件进行功能安全评审，最终输出被测机载控制系统模块的功能安全指标。

2.根据权利要求1所述的一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置，其特征在于：所述综合环境应力可同步施加，所述综合环境应力包括，振动、温湿度、粉尘、酸碱度腐蚀、电压跌落、浪涌电压及电快速瞬变等多环境变量。

3.根据权利要求1所述的一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置，其特征在于：所述采煤机半物理模型仿真装置为半实物模型，所述采煤机半物理模型仿真装置包括数学模型与实物模型。

4.根据权利要求3所述的一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置，其特征在于：所述数学模型为，采煤机截割部受力与温度场耦合模型、截割部机构动作模型、截割部液压系统响应模型、主供电回路电信号响应模型、及截割电机的受力与电流耦合模型。

5.根据权利要求3所述的一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置，其特征在于：所述实物模型为，牵引变频器模拟样机、牵引电机模拟样机、控制系统供电回路、及牵引部负载受力模拟试验台。

6.根据权利要求1所述的一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置，其特征在于：所述高精度测试平台还用于测试环境变量及被测机载控制系统模块2的信号流的全过程同步采样，同时具有风险分析及功能安全评审功能。

7.根据权利要求6所述的一种采煤机机载控制系统功能安全测试装置，其特征在于：所述功能安全评审功能将失效事件分为四种：本质安全A、可控风险B、极端环境下的暴露的致命风险C、日常环境下暴露的致命风险D；所述功能安全评审功能通过对不同风险事件的加权打分，对采煤机功能安全等级的量化评审。

8.一种采煤机机载控制系统功能安全测试方法，其特征在于：所述方法基于权利要求1到7所述的安全测试装置，所述实施方法包括以下步骤：

步骤一：通过污染电环境模拟试验模块进行极端供电环境的在线模拟，所述极端环境包括电快速瞬变脉冲、浪涌、电压跌落；

步骤二；将被测机载控制系统模块置于环境综合试验箱中，由污染电环境模拟试验模块施加极端供电环境，并由环境综合试验箱施加物理环境应力，通过污染电环境模拟试验模块及环境综合试验箱完成对所述被测机载控制系统模块的综合环境应力施加；

步骤三：被测机载控制系统模块同步接收电环境及物理环境应力，被测机载控制系统模块产生的对应的响应状态通过被测机载控制系统模块的接口模块传递至采煤机半物理模型仿真装置的板块I/O，经由半物理模型仿真装置内的各类实物及数学模型输出响应信号，通过硬件板卡I/O将模拟的采煤机实际执行动作状态反馈到被测机载控制系统模块的接口I/O模块中，进而完成一次测试过程；

步骤四：测试过程中环境参数相关的状态数据经过接口设备与环境模拟实验控制装置进行信号交互控制，测试过程的状态监测、实时控制、人机交互及安全保护功能由高精度测试平台负责呈现；

步骤五：测试过程中被测机载控制系统模块在极端工况下，相关状态信息及部分功能失效时的响应逻辑实时传递至高精度测试平台中，经由高精度测试平台中的试验有效性及功能安全评审软件进行功能安全评审，最终输出被测机载控制系统模块的功能安全指标。

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